[发明专利]基于超材料的哈特曼波前传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种哈特曼波前传感器，尤其涉及一种基于超材料的哈特曼波前传感器。

背景技术

哈特曼波前传感器是一种以波前斜率测量为基础的波前测试仪器。它通过测试光的近场波面相位分布和其随时间变化的关系，进而得出系统的各项光学特性参数，例如各阶泽尼克系数、点扩散函数、传递函数、调制传递函数、环境能量等。

如图1所示，图1为现有的哈特曼波前传感器的工作原理图。现有的哈特曼波前传感器利用微透镜阵列将入射电磁波波面分割成多个子波面，使得有像差的波面在每一子波面上均可以近视为平面波。该微透镜阵列包括阵列排布的子孔径以及位于子孔径内的子透镜。

每个子孔径内的子透镜将辐射到其上的光聚焦到位于焦平面的二维CCD(Charge-coupled Device)面阵上，该些聚焦的光点形成子孔径光斑阵列，探测被测波前的子孔径光斑相对标定光的偏移量就能测出子孔径光斑阵列上各个子孔径内波前在X和Y方向上的局部波前斜率，根据这些斜率数据重构例如被测光束近场相位分布和远场焦斑信息等信息。

现有哈特曼波前传感器中的透镜尺寸小，对透镜自身的曲面加工精度要求很高，使得其造价较高；并且透镜采用玻璃或者树脂材料制成，容易磨损，不利于保存。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种加工精度要求低、成本低、强度高的基于超材料的哈特曼波前传感器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是提出一种基于超材料的哈特曼波前传感器，其包括超材料以及CCD面阵，所述超材料被划分为多个折射率分布相同的子超材料，所述子超材料聚焦光线于所述CCD面阵上；所述子超材料包括基材以及周期排布于基材上的多个人造金属微结构，所述子超材料的折射率呈圆形分布，圆心为所述子超材料中心点，圆心处的折射率最大，相同半径处的折射率相同，随着半径增大，折射率减小。

进一步地，所述子超材料上以其中心点为圆心，半径为r处的折射率为：

其中，n_max为子超材料所具有的折射率最大值，n_min为子超材料所具有的折射率最小值，ss为所述CCD面阵距超材料垂直距离，为子超材料长度。

进一步地，所述子超材料的厚度d为：

其中，λ为可见光波长，n_max为子超材料所具有的折射率最大值，n_min为子超材料所具有的折射率最小值。

进一步地，所述多个人造金属微结构拓扑图案相同，所述多个人造金属微结构在所述子超材料上呈圆形分布，圆心为子超材料的中心点，圆心处的人造金属微结构尺寸最大，相同半径处的人造金属微结构尺寸相同，随着半径的增大，人造金属微结构尺寸减小。

进一步地，所述人造金属微结构为“工”字形，包括竖直的第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

进一步地，所述人造金属微结构还包括位于所述第二金属分支两端且垂直于所述第二金属分支的第三金属分支。

进一步地，所述人造金属微结构为平面雪花型，包括相互垂直的两条第一金属分支以及位于所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支。

进一步地，所述人造金属微结构的材质为银。

进一步地，所述人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻或斜角沉积法附着于所述基材上。

进一步地，所述基材材质为高分子材料、陶瓷材料、贴点材料、铁氧材料或铁磁材料。

本发明利用超材料原理制备子超材料阵列以汇聚光线，代替了传统哈特曼波前传感器的微透镜阵列。其电磁参数调节简单且汇聚焦点可控，能大大简化哈特曼波前传感器整体设计。同时超材料为平板状，其制备工艺简单、成本较低且耐磨性较传统透镜更好，使用寿命更长。

附图说明

图1为现有哈特曼波前传感器的结构示意图；

图2为构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

图3为本发明基于超材料的哈特曼波前传感器的结构示意图；

图4为本发明中超材料的结构示意图；

图5为本发明中子超材料的结构示意图；

图6为能对电磁波产生响应以改变子超材料基本单元折射率的第一较佳实施方式的人造金属微结构的几何形状拓扑图案；

图6a为图6中人造金属微结构几何形状拓扑图案的衍生图案；